光的折射、全反射（讲义）-高考物理复习（新高考）原卷版

1.物理观念：折射率、全反射。.

（1）知道折射率的概念定义以及其物理意义是描述介质对光的偏折程度的一个物理量一

（2）知道光的全反射现象及其产生的条件。

2.科学思维：折射定律、常见光学介质模型。.

（1）通过实验，理解光的折射定律。.

（2）掌握常见光学介质模型对光路的控制特点及光路图的构建。.

3.科学态度与责任：

知道光的全反射现象及其产生的条件。初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。

【知识点一】折射定律和折射率的理解及应用

1.折射定律.

（1）内容：如图所示，折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位

于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。.

（2）表达式：瞿=〃

（3）在光的折射现象中，光路是可逆的。.

2.折射率

（1）折射率是一个反映介质的光学性质的物理量..

sin6\

（2）定义式:〃=sin。。

（3）计算公式：〃=%因为所以任何介质的折射率都大于1。

（4）当光从真空（或空气）斜射入某种介质时，入射角大于折射角；当光由介质斜射入真空

（或空气）时，入射角小于折射角。

3.折射率的理解.

（1）折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关。一

（2）折射率与介质的密度没仃关系，光密介质不是指密度大的介质。.

（3）同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。.

【方法总结】

1.根据折射定律和入射光线画出折射光线，找到入射角和折射角，要注意入射角、折射角是入射光

线、折射光线与法线的夹角，而不是入射光线、折射光线与界面的夹角.

2.应用公式n=鬻时，要牢记sinOi是入射角的正弦，sin（h是折射角的正弦，即分子上代真空中

光线与法线夹角的正弦值，分母上代介质中光线与法线夹角的正弦值.三角函数关系式要熟练掌

握.

例如sinO=cos（90。-0）,si/0+cos2（）=1等.

3.在折射现象中，光路是可逆的.如果遇到光从某种介质射入空气中，入射角和折射角不要代入错

误.

4.光的折射问题解题步骤

[例1]（2022•湖南省沅陵县枫香坪九校高三开学考试）如图所示为半圆形玻璃砖，。为圆心，AB

是水平直径，C为AO中点，一束单色光斜射到C点，逐渐改变入射方向，当入射光与A8面夹角

为夕时，折射光线从圆弧的最高点。点射出，则玻璃砖对光的折射率为（）

2cos6Q5/5COS0D瓜cos0

【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维及物理观念。要求考生在正确理解折射率的概

念。,

【变式训练1】（多选）（2022•云南・昆明一中高三开学考试）一个水平放置的透明球壳内一半的

体枳充满了某种均质透明胶体，如图所示。为了研究胶体的折射率，用一激光笔从下半部分的C点

射向球心O,在球壳的上半部分。点接收到光线。将激光茬从。点向A移动，移动过程中保持光

线始终射向球心。。当光线与界面A3的夹角夕为53。时，恰好观察不到从界面A8射向空气的光

束c此时（）

A

A.胶体的折射率为1.25

B.胶体的折射率为1.67

4

C.激光在胶体中的传播速度为

10/?

D.。为53。时激光在胶体中的传播时间为三丁

【归纳总结】1.对折射率的理解.

（1）折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小口=;。

（2）折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关。同一种介质中，频率越大的色光折

射率越大，传播速度越小。.

（3）同一种色光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同一

2.光路的可逆性

在光的折射现象中，光路是可逆的。如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上，光线就会逆着原

来的入射光线发生折射。.

[例2]（2022・湖北・高考真题）如图所示，水族馆训练员在训练海豚时，将一发光小球高举在水

面上方的A位置，海豚的眼睛在8位置，A位理和8位置的水平距离为"，A位置离水面的高度为

2

3do训练员将小球向左水平抛出，入水点在3位置的正上方，入水前瞬间速度方向与水面夹角为

仇小球在A位置发出的一束光线经水面折射后到达8位置，折射光线与水平方向的夹角也为仇

_4

己知水的折射率〃=§,求：

（1）tan。的值；

（2）3位置到水面的距离从

【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。.

【变式训练2】（2022•江苏•高考真题）如图所示，两条距离为。的平行光线，以入射角夕从空气

射入平静水面，反射光线与折射光线垂直，求：

（1）水的折射率〃；

【技巧总结】应用光的折射定律解题的一般思路

（1）根据入射角、折射角及反射角之间的关系，作出比较完整的光路图。.

（2）充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的关系，根据折射定律求解相关的物理量：折

射角、折射率等。.

（3）注意在折射现象中，光路是可逆的。.

【知识点二】全反射现象的理解和综合分析

（1）定义：光从光密介质射入光疏介质，当入射角增大到某一角度，使折射角达到90。时，折射光

完全消失，只剩下反射光的现象。.

（2）条件：①光从光密介质射入光疏介质；②入射角大于或等于临界角。.

（3）临界角：折射角等于90。时的入射角。若光从光密介质（折射率为〃）射向真空或空气时，发

生全反射的临界角为C,则sinC='介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小。.

【方法总结】

L求解光的折射、全反射问题的四点提醒

（1）光密介质和光疏介质是相对而言的。同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，

也可能是光疏介质。

（2）如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。

（3）在光的反射和全反射现象中，均遵循光的反射定律，光路均是可逆的。

（4）当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只

发生反射，不发生折射。

2.解决全反射问题的一般方法

（1）确定光是从光密介质进入光疏介质。

（2）应用sinC=；确定临界角。

（3）根据题设条件，判定光在传播时是否发生全反射。

（4）如发生全反射，画出入射角等于临界角时的临界光路图。

（5）运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算，解决问题。

【例3】（2022•山东・高考真题）柱状光学器件横截面如图所示，°P右侧是以。为圆心、半径为

R的；圆，左则是直角梯形，心长为R,AC与C。夹角45。，AC中点为8。八人两种频率的细激

光束，垂直48面入射，器件介质对小〃光的折射率分别为1.42、1.40。保持光的入对方向不变,

入射点从A向3移动过程中，能在尸历面全反射后，从＜加面射出的光是（不考虑三次反射以后的

A.仅有。光B.仅有人光C.。、〃光都可以D.。、匕光都不可以

【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。

【变式训练3】（2022•四川省德阳市第三中学高三开学考试）如图所示，平静湖面岸边的垂钓者，

眼情恰好位于岸边2点正上方°。9m的高度处，水面与P点同高，浮标°离月点12口远，鱼饵灯M在

4

浮标正前方1•如处的水下，垂钓者发现鱼饵灯刚好被浮标挡住，己知水的折射率〃=3,求：

（1）鱼饵灯离水面的深度；

（2）若鱼饵灯缓慢竖直上浮，当它离水面多深时，鱼饵灯发出的光恰好无法从水面也间射出。

【必备知识】1.分析综合问题的基本思路.

（1）判断光线是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质。.

（2）判断入射角是否大干等于临界角，明确是否发牛全反射现象。

（3）画出反射、折射或全反射的光路图，必要时还可应用光路的可逆原理画出光路图，然后结合

几何知识进行推断和求解相关问题。.

（4）折射率〃是讨论折射和全反射问题的重要物理量，是联系各物理量的桥梁，应熟练掌握跟折

射率有关的所有关系式。.

2.求光的传播时间的一般思路一

（1）全反射现象中，光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化。即丫―3.

（2）全反射现象中。光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定。.

（3）利用求解光的传播时间。.

【知识点三】光的色散.

（1）光的色散.

①现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带。（如图所示）.

普通玻瑞梭镜紫光线通过校镜的光路.

②成因：棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最

小，时紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大，从而产生色散现象。.

（2）各种色光的比较.

颜色红橙黄绿青蓝紫

频率V低一＞国

同一-种介质中的折射率小一大

同一种介质中的速度大T小

波长大T小

逋过棱镜的偏折角小T大

临界角大T小

双缝干涉时的条纹间距大T小

[例4]（2022•江苏省响水中学高三开学考试）如图所示，一束复色光射向半圆形玻璃瓶的圆心

O,经折射后分为两束单色光a和b,下列判断正确的是（）

A.。光在玻璃中的速度大于〃光在玻璃中的速度

B.。、〃两束光遇到障碍物时，。光更容易发生衍射

C.增大复色光的入射角，在坂璃砖的右边最先消失的是a光

D.。、〃光通过同一个双缝干涉装置，。光的干涉条纹间距大于〃光的干涉条纹间距

【素养提升】本题考察的学科素养主要是物理观念与科学思维。

【变式训练4】（多选）（2022•海南・昌江黎族自治县矿区中学二模）如图，一束光经玻璃三棱镜

折射后分为两束单色光a、b,波长分别为乙、及，该玻璃对单色光a、〃的折射率分别为%、%,

C.乙D.乙>4

【方法总结】

1.光线射到介质的界面上时，要注意对产生的现象进行分析：

（1）若光线从光疏介质射入光密介质，不会发生全反射，而同时发生反射和折射现象，不同色光

偏折角不同。

（2）若光线从光密介质射向光疏介质，是否发生全反射，要根据计算判断，要注意不同色光临界

角不同。

2.作图时要找出具有代表性的光线，如符合边界条件或全反射临界条件的光线。

3.解答时注意利用光路可逆性、对称性和几何知识。

【知识点四】常见光学介质模型

平行玻璃破、三棱镜和圆柱体（球）对光路的控制.

凄别

项柒\平行玻璃砖三棱镜圆柱体（球）

结构玻璃砖上下表面是平行的横截面为三角形横截面是圆

A

对光线

通过三棱镜的光线

圆界面的法线是过圆心

的作用通过平行玻璃砖的光线不

经两次折射后，出

的直线，经过两次折射

改变传播方向，但要发生侧

射光线向棱镜底边

后向圆心偏折

移

偏折

应用测定玻璃的折射率改变光的传播方向改变光的传播方向

特别提醒不同颜色的光的频率不同，在同一种介质中的折射率、光速也不同，发生全反射现象的

临界角也不同。.

模型一圆形玻璃砖

【例5】（2022.河北•高考真题）如图，一个半径为R的玻璃球，。点为球心。球面内侧单色点光

源S发出的一束光在A点射出，出射光线4B与球直径SC平行，夕=30。。光在真空中的传播速度

为Co求：

（i）玻璃的折射率；

（ii）从S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。

【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学思维。

【变式训练5】（2022.河南安阳.模拟预测）如图所示，圆心为。的半圆形玻璃砖半径为七A为

半圆形玻璃砖平面上的一点，一束单色光以的入射角从A点射入玻璃砖，光线经过玻璃砖

2次折射，从玻璃砖圆表面离开的光线相对于最初的入射光线发生了侧移，但传播方向未变。若入

射光线从A点垂直于半圆形玻璃胸平面入射，则第•次射到玻璃砖圆表面光线恰好不能从玻璃砖

射出。求：

（i）玻璃的折射率；

（ii）光线发生侧移的距离。

【技法总结】.

解答全反射问题的技巧

（1）解答全反射问题时，要抓住发生全反射的两个条件：.

①光必须从光密介质射入光疏介质；.

②入射角大于或等于临界角。.

（2）利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作

光路图时尽量与实际相符。.

模型二三角形玻璃砖.

[例6]（2022•浙江•高三开学考试）截面为等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜，这种棱镜在光

学仪器中广泛用于改变光的传播方向。如图所示，一激光笔发射出一束光线从支边上的尸点射入

棱镜，P点离C点距离为C石边长的工，入射光方向可调，强度不变。现使入射光从垂直于。后方向

顺时针逐渐旋转到垂直于麾方向，已知此棱镜的折射率为夜，边长为L,不考虑光在底边的

反射光线，在此过程中以下说法正确的是（）

DE

A.入射光射入棱镜后可能从C。边射出

B.垂直于D月方向入射的光线在P点的折射光线和反射光线的夹角为120°

伍

C.垂直于支方向入射的光线在棱镜中的时间为三

D.随着入射光线的旋转，从。石边反射光线的强度越来越强

【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学思维。.

【变式训练6】（多选）（2022・贵州贵阳•高二期末）如图所示，在等边三棱镜截面ABC内，有一

束单色光从空气射向其边界上的E点，已知该单色光入射方向与三棱镜边界48的夹角6=30。，该

单色光在三棱镜中的传播光线与底边8C平行。则下列说法中正确的是（）

A.该单色光在A8边界发生全反射

B.该单色光从空气进入棱镜后频率不变

C.该单色光在AC边界发生全反射

D.该单色光在AC边界的折射角为60。

E.三棱镜对该单色光的折射率为右

【技巧总结】求解光的折射、全反射问题的三点注意.

（1）明确哪种介质是光密介质、哪种介质是光疏介质。同-,种介质，相对于其他不同的介质，可

能是光密介质，也可能是光疏介质。.

（2）如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象。.

（3）当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只

发生反射，不发生折射。.

模型三光导纤维的构造及传播原理

1.U）构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有I〜100/m,如图所示，它由内芯和外

套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率一

内芯

（2）传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以

远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像。.

2.光导纤维的折射率.

设光导纤维的折射率为〃，当入射角为分时，进入端面的折射光线